(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
雄ねじ、シール面およびショルダ面を有するピンと、雌ねじ、シール面およびショルダ面を有するボックスとを備え、該雄ねじは該雌ねじと螺合し、ピンのシール面はボックスの対応するシール面と半径方向に干渉し、ピンのショルダ面はボックスの対応するショルダ面と軸方向に突き当たっている鋼管用ねじ継手において、
(ｉ)ピンのショルダ面はピンの端面に一箇所設けられ、
(ｉｉ)ピンのシール面は雄ねじ付近の管端側に設けられ、
(ｉｉｉ)ピンのシール面とショルダ面との間にノーズ部が設けられ、このノーズ部の外面とシール面との間が、ノーズ部の外面がシール面の延長線より半径方向外側となるように不連続となって、かつこのノーズ部は、このピンのノーズ部に対向するボックス部分に接触していない
ことを特徴とする鋼管用ねじ継手。
【請求項２】
ノーズ部の外面が円筒形であることを特徴とする、請求項１に記載の鋼管用ねじ継手。
【請求項３】
ノーズ部の軸方向長さが、外径５０〜５５０ｍｍの管の場合で４ｍｍ〜２０ｍｍであることを特徴とする、請求項１または２に記載の鋼管用ねじ継手。
【請求項４】
継手が、シール面に隣接して位置する部分の雄ねじを雌ねじとの噛み合いから回避させるための手段を備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。
【請求項５】
前記手段が、ボックスの雌ねじとシール面との間でボックスの内面に設けた周方向グルーブであることを特徴とする、請求項４に記載の鋼管用ねじ継手。
【請求項６】
ボックスの雌ねじとシール面との間で測定された周方向グルーブの軸方向長さが、ねじの１.５〜３.５ピッチの範囲であることを特徴とする、請求項５記載の鋼管用ねじ継手。
【請求項７】
ピンのシール面が、ピンの軸から測定して、(ｉ)雄ねじ頂部とピン先端とを結ぶ接線、および(ｉｉ)雄ねじ底面の延長線、より半径方向内側に位置していることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。
【請求項８】
ピンのシール面の雄ねじからの離間距離がねじの１ピッチ以下であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。
【請求項９】
雄ねじと雌ねじが共にテーパねじであり、雄ねじが、雄ねじ底面の包絡線がねじテーパのそれに比べて小さいテーパを有する導入部形状を有していることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。
【請求項１０】
該導入部の雄ねじ底面の包絡線が円筒形表面であることを特徴とする、請求項９に記載の鋼管用ねじ継手。
【請求項１１】
ピンおよびボックスのショルダ面が継手軸に垂直な平面であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。
【請求項１２】
ピンおよびボックスのショルダ面がテーパ面であって、ピンのショルダ面がボックスのショルダ面にフック係合するように、これらのショルダ面が継手軸の垂直面に対して１６度未満の角度をなしていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。
【請求項１３】
ピンとボックスのそれぞれのシール面の形状が、(ｉ)継手軸に対して傾斜した直線を、継手軸を中心として回転させることにより生ずるテーパ面、(ｉｉ)曲線を、継手軸を中心として回転させることにより生ずる湾曲面、より詳しくは、その曲線が円弧である場合には円環面、および(ｉｉｉ)該傾斜直線と該円弧とを組み合わせた線を、継手軸を中心として回転させることにより生ずる円環−円錐面、から独立して選ばれることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。
【請求項１４】
ピンとボックスの一方のシール面がテーパ面であって、ピンとボックスの他方のシール面が円環面または円環−円錐面のいずれかであり、円環−円錐シール面のテーパ部分は、ノーズ側に位置し、かつテーパシール面と実質的に同じテーパを有することを特徴とする、請求項１３に記載の鋼管用ねじ継手。
【請求項１５】
シール面のテーパが５〜２５度の範囲であることを特徴とする、請求項１３または１４に記載の鋼管用ねじ継手。
【請求項１６】
ピンのショルダの内縁が継手軸と同心の円形を形成するように、ピンのショルダ面付近の内面が面取りされていることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。
【請求項１７】
ボックスのショルダ面付近の内面が面取りされていることを特徴とする、請求項１〜１６のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。
【請求項１８】
雄ねじと雌ねじがそれぞれ、荷重面、挿入面、ねじ底面、およびネジ頂部を備える略台形形状を有し、継手軸に対する法線との挿入面の角度が３度以上、３６度以下であることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれかに記載の鋼管用ねじ継手。
【請求項１９】
荷重面間に接触があり、ねじ継手を締め付けた時の雄ねじと雌ねじの挿入面間の軸方向のすき間が１０μｍ以上、１５０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１８に記載の鋼管用ねじ継手。
【請求項２０】
鋼管用ねじ継手が、ボックス端部側の位置に、第２の一対のシール面をさらに備えることを特徴とする、請求項１〜１９のいずれかに記載の鋼管用のねじ継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に油井やガス井の探査や生産に使用されるチュービングおよびケーシングを包含する油井管すなわちＯＣＴＧ（oil country tubular goods）、ライザー管、ならびにラインパイプなどの鋼管の接続に用いるねじ継手に関し、特に外圧シール性と耐圧縮性とに優れた鋼管用ねじ継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
ねじ継手は、油井管やライザー管など産油産業設備に使用される鋼管の接続に広く使用されている。
従来、オイルやガスの探索や生産に使用される鋼管の接続には、ＡＰＩ（米国石油協会）規格に規定された標準的なねじ継手が典型的には使用されてきた。しかし、近年、原油や天然ガスの掘削・生産環境が苛酷化しているため、プレミアムジョイントと呼ばれる高性能の特殊ねじ継手を使用することが増加している。
【０００３】
プレミアムジョイントは、通常、各パイプに、テーパねじと、メタルタッチシール部、すなわち、継手の他方の部材のメタルタッチシール部と密着した時に密封性能を担うことができるシール面と、トルクショルダ部、すなわち、継手の締付け中にストッパの役目を担うショルダ面、とを備える。
【０００４】
従来、垂直井が主流であったため、油井管用ねじ継手は、それに連結された管の重さによる引張荷重に耐えることができ、かつその内部を通過する高圧流体の漏洩を防止できれば十分に機能できた。しかし、近年は、深井戸化が進み、かつ地中で坑井が屈曲する傾斜井や水平井が増加してきていること、そして海洋や極地など劣悪な環境での井戸の開発が増加していることなどから、耐圧縮性能、耐曲げ性能、外圧シール性能、現場での取り扱い容易性など、ねじ継手への要求性能は多様化している。
【０００５】
図２(ａ)、(ｂ)は、カップリング形式の一般的な油井管用プレミアムジョイントの模式的説明図であり、これは、雄ねじ部材１（以下、ピン部材、あるいは単にピンと呼ぶ）と対応する雌ねじ部材２（以下、ボックス部材、あるいは単にボックスと呼ぶ）とを備える。
【０００６】
ピン部材１は、その外面に、雄ねじ１１と、ピン１の先端に雄ねじ１１に隣接して設けられた、リップと呼ばれるねじ無し部１２とを有する。リップ１２は、その外周面にメタルタッチシール部１３を、その端面にはトルクショルダ部１４を有する。
【０００７】
相対するボックス部材２は、その内面に、それぞれピン１の雄ねじ１１、メタルタッチシール部１３、およびトルクショルダ部１４と螺合するか、または接触することができる部分である、雌ねじ２１、メタルタッチシール部２３、およびトルクショルダ部２４を有している。
【０００８】
図３は、ＡＰＩ規格のバットレスねじに代表される台形ねじの形状・寸法を説明する模式図である。プレミアムジョイントに用いられるねじも、このＡＰＩ規格のバットレスねじに倣った台形ねじが殆どである。多くのねじでは、ねじ山のアスペクト比（縦横比）やフランク角（側面傾斜角度）などもＡＰＩ規格のバットレスねじの寸法をほぼそのまま適用している。
【０００９】
図３において、例えば、ねじピッチが５ＴＰＩ（5 threads per inch、１インチ当たり５山）のＡＰＩ規格のバットレスねじであれば、ねじ高さ７４は１.５７５ｍｍ、荷重面の角度（荷重面フランク角）７１は３度、挿入面の角度（挿入面フランク角）７２は１０度、挿入面間の軸方向すき間７３は平均で約１００μｍ（３０〜１８０μｍ）である。
【００１０】
ピンとボックスのシール面間には、干渉量と呼ばれる半径方向の締め代が設けられている。ピンとボックスのショルダ面どうしが突き当たるまで継手を締め込むと、これら両部材のシール面同士が継手の全周にわたって密着し、シールを形成する。
【００１１】
ショルダ面は、締め付けストッパの役割のほかに、継手に作用する圧縮荷重の殆どを負担する役目も担っている。したがって、ショルダ面の肉厚が厚くないと（または、ショルダの剛性が高くないと）、大きな圧縮荷重には耐えられない。
【００１２】
上述のような従来のプレミアムジョイントに外圧が作用した場合、作用外圧は、ねじのすき間を伝わって、シール面の直前の図２に３１で示す部位まで浸透する。
リップは、管本体に比べて肉厚がずっと薄いため、浸透外圧による縮径変形を受けることがある。そのため、外圧が高くなると、シール面にすき間が生じて、漏洩、すなわち外部流体が管体内部に侵入する状況、が発生する。
【００１３】
また、水平井や傾斜井に油井管を埋設するときなど、プレミアムジョイントに圧縮荷重が作用した場合、ほとんどの継手は、前述のＡＰＩ規格のバットレスねじと同様に、挿入面すき間が比較的広いため、ねじで圧縮荷重を負担する能力は低く、大部分の圧縮荷重をショルダが負担することになる。
【００１４】
しかし、ショルダ面の肉厚（圧縮荷重の受圧面積）は通常、管本体のそれよりも相当小さい。そのため、管本体の降伏強度の４０〜６０％に相当するような圧縮荷重が作用すると、大抵のプレミアムジョイントはボックスのトルクショルダ部が大きく塑性変形してしまい、隣接するシール面の密封性能を著しく低下させてしまう。
【００１５】
外圧に対する継手のシール性（外圧シール性）を高めるには、ピンの縮径変形に対する抵抗を高めるように、その剛性を高くすればよい。この目的で、スウェジと呼ばれる、管端絞り加工を予め施して、リップ肉厚を厚くする方法がよく用いられる。
【００１６】
しかし、スウェジ加工量があまりに大きいと、ケーシングの場合は、その内部に挿入される管がスウェジ部でひっかかってしまったりすることがあり、チュービングの場合は、スウェジ部によりチュービング内部を流れる原油等の流体に乱流が発生して、エロージョンの原因となることがある。そのため、スウェジ加工によるピンリップ肉厚の増加量はあまり大きくできない。
【００１７】
ピン先端の剛性を高めてシール性を向上させる別の従来技術が、米国特許第４６２４４８８号および第４７９５２００号に記載されている。これらの特許は、ピンのシール面の先端にボックスと接触しない円筒部を付設して、ピンのシール面周辺の縮径変形に対する剛性を高め、かつ継手のシール面どうしを均一に接触させるようにすることにより、シール性を向上させる技術を開示している。
【００１８】
管継手には、たとえスウェジ加工をしても、限られた肉厚内にテーパねじ、シール面、およびショルダ面を設けなければならない。しかし、上記の従来技術では、ピン先端をボックスと突き当てないため、リップ以外の個所にショルダ面を設置しなければならず、リップは必然的に薄肉にならざるを得ない。
【００１９】
そのため、外圧により起こるリップの縮径に耐えるようにリップの剛性を上げるには限界があり、外圧シール性をそれほど高くすることはできない。また、ショルダ面も十分な肉厚にできないため、高い耐圧縮性能が得られず、圧縮と外圧の複合荷重下でのシール性能は低い。
【００２０】
耐圧縮性を高めるため、ねじに圧縮荷重の分担能力を持たせようとする技術が、例えば、米国特許第５８２９７９７号および米国特許第５４１９５９５号に記載されている。米国特許第５８２９７９７号には、台形ねじの荷重面同士および挿入面同士が接触し、ねじ底面とねじ頂面の両方に半径方向のすき間を設けたねじが記載されている。このねじは、挿入面が常に接触しているため、圧縮荷重分担能力が非常に高い。
【００２１】
米国特許第５４１９５９５号には、台形ねじの挿入面間のすき間を３０μｍ以下に狭小化して、圧縮荷重が作用したときのみ挿入面どうしが接触するようにしたねじが記載されている。このねじの圧縮荷重の負担能力は、米国特許第５８２９７９７号に記載されたねじほど高くはないにせよ、通常のバットレスねじに比べればはるかに高い。
【００２２】
しかし、米国特許第５８２９７９７号に開示されたねじでは、ねじ山幅に誤差があると、耐圧縮性能や耐ゴーリング（焼き付き）性、締め付けトルクなどの性能が大きくばらつくことがある。そのため、製造公差を極めて狭くする必要があり、結果として、このねじは、量産に不向きで大変高価になってしまうという問題がある。
【００２３】
米国特許第５４１９５９５号も同様の問題がある。つまり、挿入面間のすき間を０〜３０μｍの値に設定しなくてはならない。そうすると、雄ねじの山幅と雌ねじの山幅にそれぞれ許容される誤差はわずか±７.５μｍとなり、ねじ切り加工は大変高価になり、量産に不向きとなる。
【発明の開示】
【００２４】
本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、優れた耐圧縮性を有し、かつ、単純外圧に対してはもとより、圧縮と外圧、引張と外圧といった複合荷重下に対しても有効な、総合的な外圧シール性が大幅に向上した鋼管用のねじ継手を提供することである。
【００２５】
図４は、本発明に関して行った基礎検討に使用したリップの模式図である。
上記の目的を達成するため、本発明者らは、前記構造を持つプレミアムジョイントのリップの形状を決定する下記の４つの設計因子に対して有限要素解析を実施した：(１)リップ厚４１、(２)リップ長さ４２、(３)ショルダ角４３、および(４)シールテーパ（シール面のテーパ）４４。各因子について、外圧シール性に及ぼすその影響度を調査した。
【００２６】
その結果、リップ厚４１とリップ長さ４２が外圧シール性に対する影響度が最も大きく、リップ厚が厚いほど、そしてリップ長さが長いほど、外圧シール性が顕著に向上することが判明した。
【００２７】
耐圧縮性に対してはリップ厚をできるだけ厚くするのが良いことが判明した。ショルダ角４３については、ピンのショルダの外側が尖るような角度をピンのショルダに付けて、図示のようにフック形状のショルダ表面を設ける（そのような角度を以後フック角という）と、圧縮と外圧の複合荷重下でのシール性が改善される。ただし、そのようなショルダ角は圧縮荷重によるボックス部材のショルダ面のダメージも増加させる。そのため、ショルダ角を設ける場合はボックス部材のショルダ面を補強するか、圧縮荷重負担能力の高いねじを適用するのが好ましい。
【００２８】
シールテーパ４４は外圧シール性への影響度は小さいことがわかった。しかし、シールテーパがあまりに大きいと、引張りが作用したときにシール接触圧（面圧）の低下が著しく、一方、シールテーパが小さすぎると、締め込み／解体時の摺動距離が長くなるため、シール面でゴーリング（焼き付き）が発生する。
【００２９】
以上の結果に基づいて、本発明者らは、リップ厚とリップ長さの両方をできるだけ大きく（長く）すれば、外圧シール性を大幅に向上でき、同時に耐圧縮性も向上させることができるとの認識に達した。
【００３０】
ねじについては、耐圧縮性能のことだけを考えるなら、米国特許第５８２９７９７号および第５４１９５９５号の従来技術を適用するのが最良である。しかし、これらの従来技術には前述した問題点があり、量産に適していない。
【００３１】
本発明者らは、ショルダ自体の耐圧縮性能が、リップ厚みを増大させた前述のリップ形状により相当に向上させることができるので、あえて製造が容易でない超高性能ねじを組み合わせなくても、製造が容易な程度の高性能ねじを組み合わせれば、継手全体としての耐圧縮性能を大幅に向上させることができると考えた。
【００３２】
かかる着想に基づき、発明者らは上記のリップ長さが長いほど外圧シール性が良いという知見に対してより詳しい検討を行った。その結果、ピンとボックスのシール面はその根元側（ねじに近い側）でのみ接触していると、接触部の末端からリップの先端にかけての残るリップの非接触部分のボリュームが、外圧に対するリップの剛性を向上させる役目を果たすことがわかった。
【００３３】
しかし、図４のモデルのままでは、リップ長さを長くしても、シール面の末端からリップの先端までのリップの非接触部分は先細になっているため、リップ長さの増大でリップの非接触部分のボリュームはさほど増えず、かえってショルダ面が小さくなって、ショルダ部の圧縮荷重負担能力が低くなるという悪影響が出てくる。そこで、リップ形状を図１に示すように変更した。
【００３４】
図１では、ショルダ面の肉厚をできるだけ厚くし、かつシール面からリップ末端までのリップの非接触部分のボリュームをできるだけ大きくするため、ピン部材１のシール部１３とショルダ部１４との間のリップ１２の部位１５（以後、ノーズ部と呼ぶ）をほぼ円筒状とし、このノーズ部１５の外表面をボックス部材２と接触しないようにする。
【００３５】
このようなリップ形状とすることにより、ショルダ面の肉厚とシール面の肉厚を、限られた管肉厚の中でできる限り大きくすることに成功した。ただし、製造誤差のために、管の断面は真円ではなく偏肉や楕円になりうる。そのため、ピンの端部の内縁が継手軸を中心とした或る所定直径の真円より突き出ないようにするため、ピンの端部の内縁に、管の製造公差に相当する量で面取り１６を形成してもよい。この場合には、後述するように、ボックス２の内縁にも対応する面取り２６を形成してもよい。
【００３６】
ピンでは、シール面にできるだけ近くにねじを設けると、外圧に対するピンのリップの剛性がさらに高まるので、外圧シール性も増大する。
本発明の技術思想が米国特許第４６２４４８８号および米国特許第４７９５２００号に記載の従来技術と大きく異なる点は、ピン先端をショルダ面として利用するため、他の部位にショルダ面を設置する従来技術よりリップ厚みをはるかに大きくできる点である。
【００３７】
また、ノーズ部もできる限り大きな肉厚にできるため、ノーズ部の軸方向長さ（以後ノーズ長さと呼ぶ）を少し伸ばすだけで、外圧シール性を大幅に向上させることが可能である。
【００３８】
さらに、ショルダ面も大きくすることができるため、ショルダ部の圧縮荷重負担能力を最大限引き出すことが可能となる。その結果、圧縮荷重の負担能力がバットレスねじに比べてある程度高ければ、ノーズ部を有する本リップを採用することにより、ねじ継手の耐圧縮性能を大幅に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
次に、本発明を、図面を参照しながら好適態様に関してより詳しく説明する。図中、継手の同一の部材および部分には同一の参照番号を付す。
図１および５は、本発明にかかる鋼管用ねじ継手の模式的説明図であり、これはねじ螺合により相互連結されるピン部材１とボックス部材２とから構成される。ピン部材１は、管端部に設けられた、雄ねじ１１、一つ以上のシール面１３、および一つ以上のショルダ面１４を有する。ボックス部材２は、管端部に設けられたピン部材１の雄ねじ１１、シール面１３およびショルダ面１４とそれぞれ対応する（これに螺合するか、または接触することができる）雌ねじ２１、一つ以上のシール面２３、および一つ以上のショルダ面２４を有する。この継手はプレミアムジョイントの１種である。
【００４０】
かかる鋼管用ねじ継手においては、ピン部材１の端面のショルダ面１４が相対するボックス部材２のショルダ面２４に突き当たることで締め付が完了する。
本発明によれば、ピン部材はノーズ部１５を有し、これは、ボックス部材２の対応する部分（即ち、ピン１のノーズ部１５に対向するボックス２の部分）と接触していない部分である。ノーズ部１５は、シール面１３（ピン部材の雄ねじより更に先端側のピン部材の外周面に設けられる）と、ショルダ面１４（ピン部材の端面に設けられる）との間に位置している。これにより、ショルダ面１４を減少させずにリップ１２の長さが長くなるので、継手の外圧シール性を大きく向上させることができる。また、雄ねじ１１をピン１のシール面１３に近接して（好ましくはすぐとなりに）設けることにより、リップ１２の縮径に抗する剛性が高まり、外圧シール性がさらに高まる。
【００４１】
図５を参照すると、本発明の好適態様にあっては、上述のような構成の鋼管用ねじ継手を、その形状と寸法を特定することによりさらに改善できることが判明した。
すなわち、本発明者らは、本発明の上述のような作用効果をさらに効率的に引き出すための各部の寸法や形状の範囲について検討した。
【００４２】
通常のプレミアムジョイントでは管本体降伏強度の２０％程度の耐圧縮性能が求められるが、中には該降伏強度の６０％を超える耐圧縮性能が必要な井戸も存在する。
圧縮荷重はショルダ部のみでなくねじ部にも加わる。圧縮荷重分担能力の高いねじを採用すれば、それだけショルダ部の負担は軽減できる。しかし、リップ厚４１（シール接触部分５０の中央でのピンの肉厚）のリップ厚比（リップ厚のパイプ本体肉厚に対する割合）が２５％以上、望ましくは５０％以上であると、本リップだけでも（圧縮荷重分担能力の高いねじを使用しなくても）十分な耐圧縮性能を確保することができる。
【００４３】
リップ厚比の上限は、後述するスウェジ加工を行うなら、（管本体肉厚の）８５％程度までの増大は可能である。
リップのシール部およびノーズ部が厚いほど外圧シール性が良くなるため、リップ先端の内面に設ける面取り１６の角度４６は、継手軸に対して、好ましくは９〜７６度とする。
【００４４】
しかし、管内径が急激に変化すると、乱流やエロージョンの原因となりうるため、ボックスの内径４８をピンリップ内径４９とほぼ等しくして、ボックスのショルダ面の内周部に、ピンと同様の面取り角４７および形状を有する面取り２６を設ける。したがって、ボックス部の面取り角は、ピン面取りと同様の理由から、好ましくは１０４〜１７１度の範囲内となる。
【００４５】
このようにすると、継手の内径変化が最小限に抑えられるため、乱流の発生を抑えることができ、同時にボックスのショルダ部が強化される。そのため、ショルダ部が負担できる圧縮荷重の程度が増加し、継手の耐圧縮性能が向上する。
【００４６】
ノーズ長さ４５は、管サイズにより異なるが、油井管で使用される管サイズ（外径約５０〜５５０ｍｍ）の範囲では、概ね４ｍｍから２０ｍｍである。
ノーズ長さは前述の通り長いほど良いが、ノーズ長さがある程度長くなるとシール性向上の効果は飽和するため、実製品では最大２０ｍｍあれば十分である。
【００４７】
好ましくは、雄ねじと雌ねじがテーパねじである場合、雄ねじが、雄ねじ加工のためのねじ切り時に最初に形成される導入部をねじのシール面側に備えている。この導入部では、雄ねじ底面の包絡線がねじテーパのそれに比べて小さいテーパを有する（図１４を参照）。かかる導入部における雄ねじ底面の包絡線の小さいテーパは、次に述べるいくつかの利点を引き出す：掻き傷を作らずにピンのシール面を容易に切削加工できる、およびリップの剛性、したがって外圧気密性、が増加する。好ましくは、後述するように、雄ねじの導入部は雌ねじと係合しない。最も好ましくは、導入部の雄ねじ底面の包絡線は円筒形表面とする。
【００４８】
ピンまたはボックスのシール面は下記の形状をとりうる：
(ｉ)継手軸に対して傾斜した直線を、継手軸を中心として回転させることにより生ずる、テーパ面、
(ｉｉ)曲線を、継手軸を中心として回転させることにより生ずる、湾曲面、より詳しくは、その曲線が円弧である場合には円環面、および
(ｉｉｉ)該傾斜直線と該円弧とを組み合わせた線を、継手軸を中心として回転させることにより生ずる、円環−円錐面。
【００４９】
好ましくは、ピンとボックスの一方のシール面（例えば、ピンのシール面）がテーパ面であり、他方の部材のシール面（例えば、ボックスのシール面）が円環面または円環−円錐面のいずれかであり、円環−円錐シール面のテーパ部分は、ノーズ側に位置し、かつ（相手側の）テーパシール面と実質的に同じテーパを有する（図１５を参照）。
【００５０】
テーパシール面と円環−円錐シール面との共働は、例えば図１２に示すような荷重サイクルから生ずる、多様な使用条件に対して優れた接触圧安定性（したがって、気密安定性）を示した。
【００５１】
湾曲シール面、円環シール面または円環−円錐シール面の円環部分について、その面の曲率半径は好ましくは２０ｍｍより大であり、より好ましくは４０ｍｍより大である。
シール面の継手軸に対する傾き角、すなわちシールテーパ４４は、前述した理由から、好ましくは５〜２５度の範囲、より好ましくは１０〜２０度の範囲である。
【００５２】
シールテーパの存在により、ピンにはシール面とノーズ外面との間で表面の不連続性が生ずる。
シール面には、シール性を確保するために、軸方向長さが最低１〜１.５ｍｍ程度の実質的接触の領域が必要である。しかし、シール面を長くしすぎると、トルクショルダ部の肉厚を十分に確保できなくなり、シール面の仕上げに要するコストが高くなって、生産性が下がる。
【００５３】
したがって、シール面の実質的接触が起こる領域の軸方向長さ５０は、２〜８ｍｍ、望ましくは３〜５ｍｍの範囲が良い。
ショルダ面は、図５に示すように、継手軸に対して実質的に垂直でよい。ただし、前述の検討結果にしたがって、図６に示すようにフック角を設けると、圧縮荷重が作用したときのシール性が向上するが、あまりフック角が大きすぎると、ボックスのショルダ面の剛性が低下して、耐圧縮性能が悪くなる。そのため、ショルダ角４３を設ける場合は、この角度を継手軸に垂直な平面に対して４〜１６度にするのがよい。
【００５４】
図６は、本発明にかかる鋼管用ねじ継手におけるショルダ面にフック角を設けた場合のリップおよびリップ周辺の形状の模式的説明図である。
これらの態様では、ピンショルダはノーズの外面と内面との間に不連続性を生じない単一表面である。
【００５５】
ピンとボックスのシール面間およびねじ間には、それぞれ干渉量が設定されている。シール面をねじの噛み合い部にあまりに近づけすぎるのは、ねじ間の干渉量の影響でシール面間の実質的な干渉量が目減りしてしまうため良くない。
【００５６】
しかし、ピンについてだけは、前述したように、外圧に対するピンの剛性を大きくするために、ねじとシール面との間の部分に追加のねじ山を設けることが望ましい。
したがって、ピンの構造は、雄ねじがシール面にできるだけ近づくように延長することが好ましい。そのため、シール面の雄ねじからの離間距離をねじの１ピッチ分以内になるようにして、リップの剛性を高めることが好ましい。同時に、ボックスには円周グルーブ（溝）３２を設けて、ピンとボックスのシール面近傍の部分のねじが噛み合わないようにする。雄ねじに導入部を設けた場合には、雄ねじの導入部が、グルーブ３２により雌ねじとの噛み合いが回避される上述した部分の雄ねじに相当する。
【００５７】
円周グルーブ３２の軸方向長さ５１が短いと、ねじ干渉量の影響でシール面間の実質干渉量が目減りする。逆に、グルーブ３２の軸方向長さ５１が長すぎても、シール性が低下し、製造コストの無用な上昇を招く。グルーブ３２の軸方向長さ５１の望ましい範囲は、ねじピッチの１.５倍から３.５倍の間である。
【００５８】
図７(ａ)は、ボックスのグルーブの内径と雌ねじ底面の延長線６３との位置関係を示す模式的説明であり、図７(ｂ)は、雄ねじ底面の延長線６２または雄ねじとノーズ部の接線６１と、ピンのシール面との位置関係を示した模式的説明図である。
【００５９】
図７(ａ)に示すように、ボックスの円周グルーブの内径は、このグルーブの内面がボックスの軸に対して雌ねじ底面の延長線６３より半径方向外側に位置するようなものであることが好ましい。ただし、いたずらにグルーブ内径を大きくすると、ボックスの外径も大きくなり好ましくない。したがって、グルーブの内径は、加工が容易に実施できる程度の範囲内で、ボックス軸から雌ねじ底面の延長線６３への半径方向の距離より大きくしておけばよい。
【００６０】
図７(ｂ)に示すように、ピンのねじとシール面、およびノーズ部（外表面）の位置関係については、シール面が、雄ねじ頂部とピン先端（ノーズ部）を結ぶ接線６１、あるいは雄ねじ底面の延長線６２のいずれよりも、（ピンの軸から測定して）半径方向内側にくるようにする。
【００６１】
このような配置を採用することにより、現場作業時にピン先端が何かに当たったとしてもシール面に傷がつきにくくなり、シール性が低下するのを防ぐことができる。
ねじの耐圧縮性能を大きく左右するのは挿入面間のすきま量および挿入面の角度（フランク角）である。前述したように、挿入面すき間（挿入面間のすきま量）はＡＰＩ規格のバットレスねじでは３０μｍから１８０μｍである。ＡＰＩ規格バットレスねじの製造誤差の出現率が正規分布に従うと仮定すると、１００μｍ辺りの挿入面すき間を有する製品が最も多いことになる。しかし、このすき間量では耐圧縮性はさほど高くならない。
【００６２】
本発明者らは主に有限要素法による検討を行って、挿入面すき間が９０μｍ以内であれば高い耐圧縮性能が得られることを見いだした。
しかし、挿入面すき間があまりに小さくなりすぎると、締め付けの際にねじに塗布したドープと呼ばれる潤滑剤の封入圧力（これをドープ圧という）が異常レベルまで上昇して、継手の諸性能に悪影響を及ぼしかねない。また、前述の米国特許第５８２９７９７号に記載のように挿入面どうしが接触すると、ゴーリングまたは締め付けトルクのばらつきが起こることがある。
【００６３】
したがって、製造誤差の正規分布を考慮して、挿入面すき間を１０μｍから１５０μｍの範囲に設定すると本発明の効果を得ることができる。好ましくは、より改善された効果を得るために、挿入面すき間を２０μｍから９０μｍの範囲にする。
【００６４】
ねじの圧縮荷重負担能力は、挿入面フランク角（挿入面角度）が小さいほど増大する。逆に、挿入面フランク角が大きくなるほど、雄ねじと雌ねじが斜面に沿って滑り、ねじの圧縮荷重に耐える能力が減少する。ねじの圧縮荷重に耐える能力が極端に小さくならない挿入面フランク角の上限はおよそ３６度である。
【００６５】
一方、挿入面フランク角があまりに小さくなりすぎると、ねじの切削工具の磨耗損傷が激しくなって、製造公差内に収めることが非常に困難になる。そのため、その下限を３度とする。
【００６６】
以上では、ピン先端のリップにシール面とショルダ面とを設ける本の態様に関して説明したが、特殊な用途の鋼管に対しては上記以外の態様も可能である。
例えば、図８および９に示すように、アプセットされたドリルパイプや、超厚肉の油井管に本発明を適用する場合、本発明にしたがったノーズ部を有するピンリップ１２の構造に組み合わせて、第２の一対のショルダ面３３および／または第２の一対のシール面３４をピン１およびボックス２に併設する態様も可能である。
【００６７】
図８は、ピンとボックスの第２の一対のショルダ面をボックス端面側の位置に併せ持つ本発明の態様を説明する模式図である。
図９は、ピンとボックスの第２の一対のシール面をボックス端部側の位置に併せ持つ本発明の態様を説明する模式図である。
【００６８】
図１０は、管端の径を減少させると共にピンリップの肉厚を増大させるよう先端にスウェジ加工（管端絞り加工）が施されているピン部材に本発明の継手を設けた、本発明の態様の一例を示す模式図である。
【００６９】
本発明は、ピン先端をスウェジ加工しなくても十分なシール性を有する。しかし、例えば、非常に高度の耐捻り性能あるいは耐圧縮性能を付与したい場合は、予めスウェジ加工したピン先端に本発明のねじ継手を形成することにより、ショルダ面の肉厚を広げることができる（図１０を参照）。ただし、この場合、乱流が生じないように、継手の内径変化を適正に設定する必要がある。
【００７０】
これまでは図２に示したカップリング方式の継手を例に本発明の態様を説明した。しかし、図１１に示すように、インテグラル方式の継手（管体の一端にピンを、他端にボックスを設け、カップリングを用いずに直接パイプ同士を接合する継手）にも上述した本発明は適用可能である。
【００７１】
図１１は、インテグラル方式の継手を説明する模式図であり、それぞれ管本体の端部に設けられたピン部材１とボックス部材２とが直接噛み合ってねじ継手を構成している。
【実施例】
【００７２】
本発明の効果を明確に実証するため、表１に示した供試体に対して弾塑性有限要素法による数値シミュレーション解析を実施した。
表１に示した供試体はいずれも、図２に示したようなカップリング方式の油井管用ねじ継手であって、５−１／２"２０番（ｌｂ／ｆｔ）鋼管（外径１３９.７ｍｍ、肉厚９.１７ｍｍ）に対して使用するものであった。全ての供試体に使用した鋼材はＡＰＩ規格でＰ１１０と規定されるものであった。
【００７３】
供試体Ｂは、従来のプレミアムジョイントの形態の比較例であった。これは、図１３に示したようなピンリップ形状を有していた。図１３において、これまで用いた符号と同一の符号は同じ部材を示す。
【００７４】
供試体ＣからＯについても、基本的には供試体Ａと同じ、図５に示すノーズ部を有する管継手構造であったが、各部の寸法を表１に示した数値に変更した。
ただし、供試体Ｊについては、前記サイズの管体の管端を外面肉盛りによりアプセット加工して、その外径１４８.４ｍｍに増大させ、かつ、図８に示すように、ボックス端面および対応するピン位置のそれぞれに、それぞれ継手軸に対し垂直な平面で構成され、管体のアプセット量に相当する厚みを有する第２のショルダを設けた。
【００７５】
供試体Ｌは、ショルダ面をボックスの端面（本発明にしたがってピンの端面ではなく）と対応するピン位置とに設けた、別の比較例であった。
図３に規定したねじ形状は、テーパ（１／１８）、ねじ高さ７４（１.５７５ｍｍ）、ねじピッチ（５.０８ｍｍ）、および荷重面フランク角（荷重面角度）７１（３度）については、すべての供試体に対して同一とした。挿入面間の軸方向すき間（挿入面すき間）７３と挿入面フランク角（挿入面角度）７２を変動させ、これらの値を、リップ厚比（リップ厚４１のパイプ本体肉厚に対する割合、リップ厚はシール接触部分５０の中央で測定した）、ノーズ部分の長さ（ノーズ長さ）４５、シール面のテーパ（シールテーパ）４４、シール接触部分の軸方向長さ（シール長さ）５０、ショルダ角４３、ピンおよびボックスのショルダの面取り角４６および４７、円周グルーブ３２の有無、ならびにピンのねじ山とシール面との間の距離（ねじピッチ単位）（以上、図５および６を参照）を含む、継手の他の寸法と共に、表１に示す。
【００７６】
有限要素解析では、材料を等方硬化の弾塑性体とし、弾性係数が２１０ＧＰａ、０.２％耐力としての公称降伏強度が１１０ｋｓｉ（＝７５８ＭＰａ）になるようにモデル化したものを使用した。
【００７７】
締め付けは、いずれの供試体も、ピンとボックスのショルダ面が接触してから更に１.５／１００ターン回転した状態まで行った。
第１の解析では、締め付けた状態の各供試体に、管本体の降伏強度の１００％に相当する圧縮荷重（２８５２ｋＮ）を負荷し、除荷したあとに残留している保持トルク（荷重負荷後に連結を緩めるトルクである締め戻しトルクに相当する）を締結時の締付トルクで除した値として規定される残留トルク比に基づいて耐圧縮性を評価した。（この比が高いほど、継手は緩んでいないことになる。４０％以上の値が必要とされる）。
【００７８】
第２の解析では、締め付けた状態の各供試体に、図１２および表２に示した荷重履歴を負荷した。その履歴における平均シール接触圧の最小値（この値が高いほどシール性が良い）を比較することにより外圧シール性を評価した。
【００７９】
これらの結果は、表３に示す。表３の結果から、本発明にかかる鋼管用ねじ継手は、いずれの比較用の継手よりも、より高レベルのトルク抵抗が残留し、かつより高いシール接触圧を保持していたので、優れた耐圧縮性と外圧シール性を有するものであったことが分かる。
【００８０】
かくして、本発明により、優れた耐圧縮性と外圧シール性を有する鋼管用ねじ継手が得られる。同時に、現場での継手の取り扱いも容易にすることができる。本発明は、スウェジ加工などの加工をしなくても十分な性能を有するが、スウェジ加工を実施してピンリップ肉厚を厚くすれば、耐圧縮性と外圧シール性のみならず、耐ねじり性もさらに向上させることができる。極厚肉などの特殊なパイプに対しては、第２のショルダおよび／あるいはメタルタッチシール部を併設することにより、高い耐圧縮性、耐ねじり性および／あるいは外圧シール性を得ることができる。
【００８１】
以上に本発明を好適態様について説明したが、それらの態様は例示にすぎず、本発明を制限するものではない。請求の範囲に記載された本発明の範囲を逸脱せずに上記態様について各種の変更をなすことができることは当業者には自明であろう。
【００８２】
【表１】
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【００８３】
【表２】
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【００８４】
【表３】
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【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明にかかる鋼管用ねじ継手のリップおよびリップ周辺の形状を説明する模式図である。
【図２】一般的なカップリング方式の油井管用プレミアムジョイントの模式的説明図であり、図２(ａ)は図２(ｂ)の部分拡大図、図２(ｂ)は一部断面で示す全体図である。
【図３】ＡＰＩ規格のバットレスねじに代表される台形ねじの形状と寸法を説明する模式図である。
【図４】本発明に関する基礎検討に使用したリップ形状を規定する因子の模式的説明図である。
【図５】本発明にかかる鋼管用ねじ継手のリップおよびリップ周辺の形状を規定する因子の模式的説明図である。
【図６】本発明にかかる鋼管用ねじ継手におけるリップおよびリップ周辺の形状の、ショルダ面に角度を設けた場合の模式的説明図である。
【図７】図７(ａ)はボックスグルーブの内径と雌ねじ底面の延長線との位置関係を示す模式的説明図であり、図７(ｂ)は雄ねじ底面の延長線あるいは雄ねじとノーズ部との接線と、ピンのシール面との位置関係を示す模式的説明図である。
【図８】第２のショルダをボックス端面に併せ持つ本発明の別の態様を説明する模式図である。
【図９】第２のシールをボックス端部位置に併せ持つ本発明の別の態様を説明する模式図である。
【図１０】管端絞り加工（スウェジ加工）を施したピン部材に本発明の継手を設置した、本発明の態様の一例を示す模式図である。
【図１１】インテグラル方式の継手を説明する模式図である。
【図１２】実施例のＦＥＭ解析中に供試体に負荷した荷重履歴を説明する模式図である。
【図１３】比較例として用いた従来のプレミアムジョイントの模式的説明図である。
【図１４】雄ねじが、雄ねじ底面の包絡線がねじテーパのそれに比べて小さいテーパを有する導入部を備えている別の態様を説明する模式図である。
【図１５】ボックスに、ピンのテーパ面と共働する円環−円錐シール面を設けた別の態様の模式図である。
【符号の説明】
【００８６】
１：ピン部材、：ボックス部材、１１：雄ねじ、１３：ピンシール面、１４：ピンショルダ面、１５：ノーズ部、１６：ピン先端の内周部の面取り（面取り部分）、２１：雌ねじ、２３：ボックスシール面、２４：ボックスショルダ面、２６：ボックスのショルダ部の内周部の面取り（面取り部分）、３３：ボックス端面に設けられた第２のショルダ面、３４：ボックス端部に設けられた第２のシール面、４１：リップ厚、４２：リップ長さ、４３：ショルダ角、４４：シールテーパ、４５：ノーズ長さ、４６：ピン先端内面の面取り角度、４７：ボックスショルダ内縁の面取り角度、４８：ボックス内径、４９：ピン先端内径、５０：シール接触部の軸方向長さ、５１：ボックスグルーブの軸方向長さ、６１：雄ねじの頂部とノーズ部外周面の接線、６２：雄ねじ底面の延長線、６３：雌ねじ底面の延長線、７１：テーパ台形ねじの荷重面フランク角、７２：テーパ台形ねじの挿入面フランク角、７３：ねじ挿入面の軸方向すき間量、７４：ねじ山高さ
【図１】
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【図２（ａ）】
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【図２（ｂ）】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７（ａ）】
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【図７（ｂ）】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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